前言
交轨法,是解析几何中求动点轨迹方程的常用方法之一。其使用步骤大致是:首先选择适当的参数表示两动曲线的方程,将两动曲线方程中的参数消去,然后得到不含参数的方程,此方程即为两动曲线交点的轨迹方程,这种求轨迹方程的方法叫做交轨法[交点轨迹法]。
交轨法也可以说是参数法,但是参数法不一定是交轨法。
典例剖析
法1:参数方程法,首先联立两个方程,得到\(\left\{\begin{array}{l}{x-my-1=0①}\\{mx+y-1=0②}\end{array}\right.\)
给②式乘以\(m\),消\(y\)得到,\(x=\cfrac{m+1}{m^2+1}\),代入②式得到\(y=\cfrac{1-m}{m^2+1}\)
即交点轨迹的参数方程为
或者说我们就可以用参数方法来回答这个问题。
不过我们还是继续完成接下来的任务,重点和难点是消参。
\(\left\{\begin{array}{l}{x=\cfrac{m+1}{m^2+1}①}\\{y=\cfrac{1-m}{m^2+1}②}\end{array}\right.\quad (m为参数)\),如何消参,
给①^2+②^2,得到\(x^2+y^2=\cfrac{(m+1)^2}{(m^2+1)^2}+\cfrac{(1-m)^2}{(m^2+1)^2}=\cfrac{2}{m^2+1}\),
又\(x+y=\cfrac{2}{m^2+1}\),故\(x^2+y^2-x-y=0\)。
又当\(x=0\)且\(y=0\)时,\(m\)不存在,
故所求的轨迹方程为\(x^2+y^2-x-y=0(x\neq0且y\neq 0)\)。
法2:交轨法,将两个方程分别变形为\(my=x-1\)和\(mx=1-y\),
当\(m=0\)时,两个方程不能相除,此时得到两个直线的交点为\((1,1)\);
当\(m\neq 0\)时,两式相除得到\(\cfrac{my}{mx}=\cfrac{x-1}{1-y}\),即\(\cfrac{y}{x}=\cfrac{x-1}{1-y}\),
变形为\(y(1-y)=x^2-x\),整理为\(x^2+y^2-x-y=0\),即\((x-\frac{1}{2})^2+(y-\frac{1}{2})^2=\cfrac{1}{2}\)
再分别验证点\((1,1)\)和点\((0,1)\)和点\((1,0)\)都在上述曲线上,但是点\((0,0)\)不应该在轨迹曲线上,
[为什么验证这四个点,原因是由\(\cfrac{y}{x}=\cfrac{x-1}{1-y}\),两个横行即分子分母都为零,得到点\((0,1)\)和\((1,0)\),两个竖行都为零,得到点点\((0,0)\)和\((1,1)\),]
故所求的轨迹方程为\(x^2+y^2-x-y=0(x\neq0且y\neq 0)\)。
可转化划归
法1:定义法,记\(\odot O_1\)的圆心\((0,0)\)为点\(F_1\),半径为\(r_1=1\),记\(\odot O_2\)的圆心\((4,0)\)为点\(F_2\),半径为\(r_2=3\),
再设动圆的圆心坐标为\(P(x,y)\),半径为\(R\),则由于动圆\(\odot P\)与两个圆都内切,则有\(|PF_1|=R+1\),\(|PF_2|=R+3\),
即\(|PF_2|-|PF_1|=2\),故动点\(P\)到两个定点的距离的差为定值[注意没有绝对值],则动点的轨迹为双曲线的右支。
又由上式可知,\(a=1\),\(2c=|F_1F_2|=4\),故\(c=2\),则\(b=\sqrt{3}\),
故得到标准形式的双曲线的方程为\(\cfrac{x^2}{1^2}-\cfrac{y^2}{3}=1\)①,
但是上述的双曲线方程是基于双曲线的中心在坐标原点处的,而本题目的双曲线的中心在点\((2,0)\),
故将①式对应的图像向右平移两个单位,则得到\(\cfrac{(x-2)^2}{1^2}-\cfrac{y^2}{3}=1\),即\((x-2)^2-\cfrac{y^2}{3}=1\),
故所求的动圆圆心轨迹为双曲线的右支,其中心为\((2,0)\),实半轴长为\(1\),虚半轴长为\(\sqrt{3}\)的双曲线。
法2:交轨法,本题目并没有明确要求交点的轨迹,但是我们可以将其转化,使得动点[动圆的圆心]称为两曲线族的交点,用交轨法求解。
设动圆的圆心坐标为\(P(x,y)\),半径为\(R\)(此处我们视其为参数),
\(\odot O_1\)的圆心\((0,0)\),半径为\(r_1=1\),\(\odot O_2\)的圆心\((4,0)\),半径为\(r_2=3\),
则点\(P\)的第一轨迹是以\(O(0,0)\)为圆心,以\(R-1\)为半径的圆周(同心圆族),则$$x^2+y^2=(R-1)^2\quad ①$$
点\(P\)的第二轨迹是以\(O_1(4,0)\)为圆心,以\(R-3\)为半径的圆周(同心圆族),则$$(x-4)^2+y^2=(R-3)^2\quad ②$$
故动圆圆心\(P\)的轨迹的参数方程为
联立①②两式,消去参数\(R\;\)[1]\(\;\)得到,\((x-2)^2-\cfrac{y^2}{3}=1\),
[具体的消参过程:
由①得到,\(\sqrt{x^2+y^2}+1=R\),
由②得到\(\sqrt{(x-4)^2+y^2}+3=R\),
则得到\(\sqrt{x^2+y^2}+1=\sqrt{(x-4)^2+y^2}+3\),
先整理得到\(\sqrt{x^2+y^2}-2=\sqrt{(x-4)^2+y^2}\)
两边同时平方整理得到,\(\sqrt{x^2+y^2}=2x-3\),
再次两边同时平方整理得到,\((x-2)^2-\cfrac{y^2}{3}=1\)
由于\(2x-3>0\),故\(x>\cfrac{3}{2}\),故只是双曲线的右支]
故所求的动圆圆心轨迹为双曲线的右支,其中心为\((2,0)\),实半轴长为\(1\),虚半轴长为\(\sqrt{3}\)的双曲线。